Les chercheurs ont mis au point une nouvelle méthode pour éliminer même des niveaux extrêmement faibles de composés indésirables de l'eau. La nouvelle méthode repose sur un processus électrochimique pour éliminer sélectivement les contaminants organiques tels que les pesticides, déchets chimiques, et pharmaceutiques. Crédit :Mélanie Gonick/MIT
Lorsqu'il s'agit d'éliminer des concentrations très diluées de polluants de l'eau, les méthodes de séparation existantes ont tendance à être gourmandes en énergie et en produits chimiques. Maintenant, une nouvelle méthode développée au MIT pourrait fournir une alternative sélective pour éliminer même des niveaux extrêmement faibles de composés indésirables.
La nouvelle approche est décrite dans la revue Sciences de l'énergie et de l'environnement , dans un article du postdoctorant du MIT Xiao Su, Ralph Landau Professeur de génie chimique T. Alan Hatton, et cinq autres au MIT et à l'Université technique de Darmstadt en Allemagne.
Le système utilise une nouvelle méthode, s'appuyant sur un procédé électrochimique pour éliminer sélectivement les contaminants organiques tels que les pesticides, déchets chimiques, et pharmaceutiques, même lorsque ceux-ci sont présents en concentrations faibles mais dangereuses. L'approche aborde également les principales limites des méthodes de séparation électrochimique conventionnelles, telles que les fluctuations d'acidité et les pertes de performance qui peuvent survenir à la suite de réactions de surface concurrentes.
Les systèmes actuels pour traiter ces contaminants dilués comprennent la filtration sur membrane, ce qui est coûteux et a une efficacité limitée à de faibles concentrations, et électrodialyse et déionisation capacitive, qui nécessitent souvent des tensions élevées qui ont tendance à produire des réactions secondaires, dit Su. Ces processus sont également entravés par un excès de sels de fond.
« Le système pourrait être utilisé pour l'assainissement de l'environnement, pour l'élimination des produits chimiques organiques toxiques, ou dans une usine chimique pour récupérer des produits à valeur ajoutée, car ils s'appuieraient tous sur le même principe pour extraire l'ion minoritaire d'un système multi-ion complexe, », explique Xiao Su, postdoctorante du MIT. Crédit :Felice Frankel
Dans le nouveau système, l'eau s'écoule entre traités chimiquement, ou « fonctionnalisé, " surfaces qui servent d'électrodes positives et négatives. Ces surfaces d'électrodes sont revêtues de ce que l'on appelle des matériaux faradiques, qui peuvent subir des réactions pour se charger positivement ou négativement. Ces groupes actifs peuvent être réglés pour se lier fortement à un type spécifique de molécule polluante, comme l'équipe l'a démontré en utilisant l'ibuprofène et divers pesticides. Les chercheurs ont découvert que ce processus peut éliminer efficacement ces molécules même à des concentrations de parties par million.
Les études précédentes se sont généralement concentrées sur les électrodes conductrices, ou des plaques fonctionnalisées sur une seule électrode, mais ceux-ci atteignent souvent des tensions élevées qui produisent des composés contaminants. En utilisant des électrodes fonctionnalisées de manière appropriée sur les côtés positif et négatif, en configuration asymétrique, les chercheurs ont presque complètement éliminé ces réactions secondaires. Aussi, ces systèmes asymétriques permettent l'élimination sélective simultanée des ions toxiques positifs et négatifs en même temps, comme l'équipe l'a démontré avec les herbicides paraquat et quinchlorac.
Le même processus sélectif devrait également être appliqué à la récupération de composés à haute valeur ajoutée dans une usine de production chimique ou pharmaceutique, où ils pourraient autrement être gaspillés, dit Su. "Le système pourrait être utilisé pour l'assainissement de l'environnement, pour l'élimination des produits chimiques organiques toxiques, ou dans une usine chimique pour récupérer des produits à valeur ajoutée, car ils s'appuieraient tous sur le même principe pour extraire l'ion minoritaire d'un système multi-ion complexe."
Le système est intrinsèquement très sélectif, mais en pratique, il serait probablement conçu avec plusieurs étapes pour traiter une variété de composés dans l'ordre, selon l'application exacte, dit Su. "De tels systèmes pourraient finalement être utiles, " suggère-t-il, "pour les systèmes de purification de l'eau pour les zones reculées du monde en développement, où la pollution par les pesticides, colorants, et d'autres produits chimiques sont souvent un problème dans l'approvisionnement en eau. Le très efficace, Un système électrique pourrait fonctionner à partir de panneaux solaires dans les zones rurales par exemple. »
Contrairement aux systèmes à membrane qui nécessitent des pressions élevées, et d'autres systèmes électrochimiques fonctionnant à haute tension, le nouveau système fonctionne à des tensions et des pressions faibles relativement bénignes, dit Hatton. Et, fait-il remarquer, contrairement aux systèmes d'échange d'ions conventionnels où la libération des composés capturés et la régénération des adsorbants nécessiteraient l'ajout de produits chimiques, "dans notre cas, vous pouvez simplement basculer un interrupteur" pour obtenir le même résultat en changeant la polarité des électrodes.
L'équipe de recherche a déjà accumulé une série de distinctions pour le développement continu de la technologie de traitement de l'eau, y compris les subventions des concours J-WAFS Solutions et Massachusetts Clean Energy Catalyst, et les chercheurs ont été les grands gagnants du MIT Water Innovation Prize de l'année dernière. Les chercheurs ont déposé un brevet sur le nouveau procédé. "Nous voulons absolument mettre cela en œuvre dans le monde réel, " dit Hatton. En attendant, ils travaillent à la mise à l'échelle de leurs prototypes d'appareils en laboratoire et à l'amélioration de la robustesse chimique.
Cette technique « est hautement significative, car il étend les capacités des systèmes électrochimiques d'une élimination essentiellement non sélective à une élimination hautement sélective des principaux polluants, " dit Matthieu Suss, professeur adjoint de génie mécanique au Technion Institute of Technology en Israël, qui n'a pas participé à ce travail. "Comme pour de nombreuses techniques émergentes de purification de l'eau, il doit encore être testé dans des conditions réelles et pendant de longues périodes pour vérifier la durabilité. Cependant, le système prototype a réalisé plus de 500 cycles, ce qui est un résultat très prometteur."
Ces chercheurs « ont systématiquement exploré une variété de configurations d'appareils et une variété de contaminants, " dit Kyle Smith, professeur de sciences mécaniques et d'ingénierie à l'Université de l'Illinois, qui n'était pas non plus impliqué dans ce travail. "Au cours du processus, ils ont identifié des principes de conception généraux permettant d'éliminer sélectivement les contaminants. À cet égard, Je trouve que l'étude de Hatton et de ses collègues est très approfondie et réfléchie. Il fournit un cadre ou un paradigme que d'autres chercheurs peuvent imiter." Mais, il ajoute, "Un défi important qui reste est la mise à l'échelle de ces technologies."
Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.
